壓電圓片式鍵盤設計方案

一、引言

壓電圓片式鍵盤是一種采用壓電圓片作為傳感器和蜂鳴器的鍵盤，它能夠檢測到輕微的壓力變化，并具備防水和防破壞的特性。本文將詳細介紹壓電圓片式鍵盤的設計方案，包括主控芯片的型號及其在設計中的作用。

二、壓電圓片的選擇與配置

1. 壓電圓片的選擇

   壓電圓片是鍵盤傳感器的核心部分，通常也被用作蜂鳴器。在本設計方案中，選擇使用Murata公司的7BB-35-3型號壓電圓片。該圓片的外直徑為35mm，傳感區域的直徑范圍約為20mm。

2. 壓電圓片的配置

   壓電圓片被放置在PCB（印刷電路板）上，PCB內含電子器件，并具有圓孔，使陶瓷材料能自由移動。為了將圓片固定在PCB上，采用了一層3mm厚的自粘型泡沫橡膠。該組件需施加合理的壓力夾在前板的背面。

三、壓力傳遞與檢測機制

1. 壓力傳遞

   當用戶用手指觸摸外板（如不銹鋼板）時，鋼材會輕微變形，這種小幅增加的壓力通過橡膠傳遞至壓電圓片。該壓力足以產生可被微處理器檢測到的電壓。

2. 電壓檢測

   壓電圓片的較小電極連接至微控制器的ADC（模數轉換器）輸入端，并通過大電阻連接至正電源。此外，其還被連接至一開始處于高阻抗狀態的其他端口輸入（如P7）。壓電圓片的其他電極（較大電極）被一起連接至幾個并行的端口位（如P3），而得到低阻抗值。

   當手指按壓圓片至輕微變形時，供給ADC輸入端的電壓降低。微控制器通過連續掃描ADC輸入來檢測這種電壓變化。

四、主控芯片的選擇與作用

1. 主控芯片的型號

   在本設計方案中，可以選擇使用瑞薩科技（前身為NEC）的uPD78F0513微控制器作為主控芯片。當然，也可以使用其他兼容的微控制器。

2. 主控芯片的作用

• 處理輸入信號：主控芯片負責接收并處理來自壓電圓片的電壓信號。當輸入電壓降至預設電壓以下時，控制器會對輸入進行處理。

• 控制蜂鳴器：所有并聯的壓電圓片在需要時可以被用作蜂鳴器。主控芯片通過控制相關端口的輸出狀態來產生蜂鳴聲。

• 低功耗設計：選擇低功耗的主控芯片有助于延長鍵盤的電池壽命（如果鍵盤是無線的）。

五、電路設計

1. 電源電路

   電源電路為整個系統提供穩定的電壓。在本設計方案中，可以使用5V的直流電源。

2. 信號處理電路

   信號處理電路包括ADC輸入電路、端口輸入/輸出電路等。這些電路負責將壓電圓片產生的電壓信號轉換為數字信號，并傳遞給主控芯片進行處理。

3. 蜂鳴器驅動電路

   蜂鳴器驅動電路負責控制壓電圓片作為蜂鳴器時的輸出。通過改變相關端口的輸出狀態，可以產生不同頻率和持續時間的蜂鳴聲。

六、程序設計

1. 初始化程序

   在程序開始時，需要對主控芯片進行初始化設置，包括配置ADC輸入、設置端口狀態等。

2. 電壓掃描程序

   程序需要連續掃描ADC輸入以檢測電壓變化。由于壓電圓片具有大電容，電壓變化極慢，因此無需進行快速掃描。在本設計方案中，可以設置為每1ms進行一次電壓測量，每4ms對每個圓片檢查一次。

3. 按鍵處理程序

   當檢測到輸入電壓降至預設電壓以下時，程序會判斷為按鍵被按下，并執行相應的按鍵處理操作。這可能包括發送按鍵代碼給計算機、產生蜂鳴聲等。

4. 蜂鳴器控制程序

   蜂鳴器控制程序負責控制蜂鳴器的輸出。當需要產生蜂鳴聲時，程序會設置相關端口的輸出狀態，并持續一段時間（如250ms）。

七、測試與優化

1. 測試

   在完成硬件和程序設計后，需要對鍵盤進行測試以確保其正常工作。測試包括按鍵響應測試、蜂鳴聲測試等。

2. 優化

   根據測試結果，可以對硬件和程序進行優化以提高鍵盤的性能和穩定性。例如，可以調整壓電圓片的固定方式、優化程序設計等。

八、主控芯片型號及其在設計中的作用（詳細）

1. 瑞薩科技uPD78F0513

• 信號處理：uPD78F0513的ADC模塊負責接收并處理來自壓電圓片的電壓信號，將其轉換為數字信號進行進一步處理。

• 端口控制：通過控制相關端口的輸出狀態，uPD78F0513可以實現按鍵的識別和蜂鳴器的控制。

• 低功耗設計：uPD78F0513的低功耗特性有助于延長鍵盤的電池壽命（如果鍵盤是無線的）。

• 型號特點：uPD78F0513是一款低功耗、高性能的8位微控制器，具有豐富的外設和強大的處理能力。它適用于各種嵌入式應用，包括鍵盤控制等。

• 在設計中的作用：

2. 其他可選主控芯片

   這些主控芯片都可以根據具體需求進行選擇，以滿足不同場景下的鍵盤控制需求。

• AVAGO CY7C63413：這是一種常見的USB鍵盤主控芯片，支持多種按鍵布局和多種語言，具有自適應枚舉和低功耗等特性。

• HOLTEK HT82K629A：這是一種常見的AT鍵盤主控芯片，采用低功耗設計，支持多種掃描方式和多種LED驅動方式，并具有內置USB轉接器等特性。

• Diodes, Inc. PSoC CY8C32：這是一種通用USB鍵盤主控芯片，支持多種按鍵布局、可編程的按鍵映射和多種LED燈效等特性。

九、結論

壓電圓片式鍵盤的設計方案涉及多個組件的選擇與配置，以及它們之間的相互作用。通過合理選擇壓電圓片、主控芯片等關鍵組件，并精心設計電路和程序，可以制作出性能穩定、功能豐富的鍵盤產品。同時，根據具體需求選擇不同型號的主控芯片也是實現鍵盤功能多樣化的重要手段。